由於環保意識的抬頭帶動再生能源與綠能產業的蓬勃發展。得利於電力電子、數位控制及電池技術的進步，電能轉換與電池儲能系統的應用需求越來越廣泛。例如 : 電動汽車的電能系統、對電力系統用電進行削峰填谷和均衡電力的儲能系統、應急電源及可攜式行動電源 … 等。這些設備都需要對電池系統進行充電儲能及將儲存在電池的能量放電提供至電氣設備的雙向電力傳輸功能，典型應用如下圖 1 所示。
雙向電力傳輸架構可以分為 Bidirectional AC-DC 與 Bidirectional DC-DC Converter，根據不同的應用及功率需求有不同的適合架構。下文介紹常見的隔離式 Bidirectional DC-DC Converter，以提供設計專案時選用適合架構的參考。
2. 常用隔離式雙向 DC-DC Converter 架構介紹
隔離式雙向 DC-DC Converter 架構很多，本文僅說明較常見實際應用的架構 : LLC、CLLLC、 DAB。不同架構有不同的特性，選擇適當的架構是專案成功最關鍵的一步，下
文介紹各架構的工作特點。
2.1 Bidirectional LLC DC-DC Converter
LLC Converter 以高效率、低干擾，控制簡單等優點為最常使用的 DC-DC Converter 之一。Bidirectional LLC DC-DC Converter 是將傳統 LLC Converter 整流側改為開關元件的全橋結構達到雙向電力傳輸的功能，如下圖 2 所示。
圖 2 : Bidirectional LLC DC-DC Converter
當正向操作時功率從 V1 傳輸到 V2，Q1 ~ Q4 為主控開關，Q5 ~ Q8 為同步整流開關。工作原理同傳統單向 LLC。相反的，當反向操作時功率從 V2 傳輸到 V1，此時 Q5 ~Q8 為主控開關，Q1 ~ Q4 為同步整流開關。由於反向操作時，V2 側沒有諧振元件，變壓器左邊操作為串聯諧振，最大增益等於 1 ( 當操作於諧振頻率時 )。其他頻率時增益小於 1。反向操作另一個問題是操作時變壓器被 V2 箝位，如下圖 3 所示，Voltage Mode 控制時變壓器容易偏磁。LLC 與 CLLLC 都是可以設計為全範圍 ZVS 操作，由於二次側沒有串聯諧振電容，因此比 CLLLC 更適合應用於二次側電流較大的應用，Bidirectional LLC DC-DC Converter 常應用於雙向高壓 - 低壓的應用。
( a )
( b )
圖 3 : Bidirectional LLC 反向操作 : ( a ) Q5 & Q8 turn on ; ( b ) Q6 & Q7 turn on
2.2 Bidirectional CLLLC DC-DC Converter
Bidirectional CLLLC DC-DC Converter 在 Bidirectional LLC Converter 二次側串聯 LC 諧振元件使兩邊對稱 ( 電路圖如下圖 4 所示 )，可以使反向操作時增益大於 1。因此反向操作時可以比 Bidirectional LLC 反向操作時有更大的增益。由於二次側串聯了諧振電容，也解決了 LLC 反向操作變壓器容易偏磁的問題。
圖 4 : Bidirectional CLLLC Converter
CLLLC 動作方式與 LLC 相同，當正向操作時，Q1 ~ Q4 為主控開關，Q5 ~ Q8 為同步整流開關。當反向操作時，此時 Q5 ~ Q8 為主控開關，Q1 ~ Q4 為同步整流開關。在大功率應用場合諧振電容及濾波電容會承受大電流，因此不適合太大電流的應用，Bidirectional CLLLC DC-DC Converter 常應用於雙向高壓 - 高壓的應用。
2.3 Bidirectional Dual Active Bridge ( DAB ) DC-DC Converter
Bidirectional Dual Active Bridge Converter 電路架構及操作波形如下圖 5 所示，主要由一個諧振電感、一個變壓器及一二次側各由 4 顆開關組成 2 個全橋結構的雙向轉換器。
( a )
( b )
圖 5 : ( a ) Bidirectional Dual Active Bridge ( DAB ) Converter ; ( b ) DAB Converter 操作波形。
DAB 架構是固定頻率操作模式，功率傳輸是透過控制一二次側的相移角度來調節，功率從領先相位電橋側傳輸到落後相位電橋側。透過控制兩側的電橋相位即可控制功率傳輸方向。另外，PWM 開關 turn on 可以 ZVS 操作，但 turn off 為硬切換，電流應力大，turn off 切換損失大。得利於第三類半導體的低切換損失特性，使用 SiC MOSFET 可以大大改善 DAB 架構操作的切換損失。由於中小功率大都會選用 LLC 或 CLLLC 架構，因此 Bidirectional DAB Converter 常用於大瓦數電力轉換應用。
3. 隔離式雙向 DC-DC 轉換器架構比較
各種不同的應用條件適合不同的轉換架構，根據以上各架構的分析整理出每一架構的特點，方便設計時選用適合架構的參考，如下表 :
4. 結論
本文介紹並比較了常見隔離式雙向 DC-DC Converter 架構的特性及適合應用條件，可做為專案架構設計評估的簡易參考，依據不同的應用條件選擇適合的架構。LLC 與CLLLC 因為串聯電容及濾波電容在大電流應用時會增加成本及設計難度，因此一般應用在中小功率。LLC 適合高壓 - 低壓的雙向轉換，例如家庭儲能系統、Portable Energy Storage ( PES )。CLLLC 適合高壓 - 高壓的雙向轉換，例如車載 On Board Charger ( OBC )。DAB 因結構簡單，只有串聯諧振電感，且可調整電壓範圍大，常用於大功率及電池電壓範圍大的應用，例如 EV Charger、Energy Storage System ( ESS )。
因雙向架構控制較複雜，必須同時監控一二次側的電壓電流狀態，並判斷決定正向或反向功率轉換控制，一般沒有 Analog Control IC 可以使用，必須使用 Digital Controller，例如 : NXP 56800EX DSCs ( 32-bit Digital Signal Controllers ( DSC ) ) 系列。